Ora, un nuovo composito chimico sviluppato dai ricercatori del MIT potrebbe fornire un’alternativa. Potrebbe essere utilizzato per immagazzinare calore dal sole o da qualsiasi altra fonte durante il giorno in una sorta di batteria termica e potrebbe rilasciare il calore quando necessario, ad esempio per cucinare o riscaldare dopo il tramonto.
Un approccio comune allo stoccaggio termico è quello di utilizzare ciò che è noto come un materiale a cambiamento di fase (PCM), dove il calore in ingresso scioglie il materiale e il suo cambiamento di fase-da solido a liquido-immagazzina energia. Quando il PCM viene raffreddato di nuovo sotto il suo punto di fusione, si trasforma di nuovo in un solido, a quel punto l’energia immagazzinata viene rilasciata come calore. Ci sono molti esempi di questi materiali, tra cui cere o acidi grassi utilizzati per applicazioni a bassa temperatura e sali fusi utilizzati ad alte temperature. Ma tutti gli attuali PCM richiedono una grande quantità di isolamento, e passano attraverso quella temperatura a cambiamento di fase in modo incontrollabile, perdendo il loro calore immagazzinato relativamente rapidamente.
Invece, il nuovo sistema utilizza interruttori molecolari che cambiano forma in risposta alla luce; una volta integrato nel PCM, la temperatura a cambiamento di fase del materiale ibrido può essere regolata con la luce, consentendo di mantenere l’energia termica del cambiamento di fase anche ben al di sotto del punto di fusione del materiale originale.
Le nuove scoperte, dal MIT postdocs Grazia Han e Huashan Li e il professor Jeffrey Grossman, sono riportati questa settimana sulla rivista Nature Communications.
“Il problema con l’energia termica è che è difficile trattenerlo”, spiega Grossman. Così il suo team ha sviluppato quelli che sono essenzialmente componenti aggiuntivi per i materiali a cambiamento di fase tradizionali, o, ” piccole molecole che subiscono un cambiamento strutturale quando la luce splende su di loro.”Il trucco era trovare un modo per integrare queste molecole con materiali PCM convenzionali per rilasciare l’energia immagazzinata come calore, su richiesta. “Ci sono così tante applicazioni in cui sarebbe utile immagazzinare energia termica in un modo che consente di attivarlo quando necessario”, dice.
I ricercatori hanno realizzato questo combinando gli acidi grassi con un composto organico che risponde ad un impulso di luce. Con questa disposizione, il componente sensibile alla luce altera le proprietà termiche dell’altro componente, che immagazzina e rilascia la sua energia. Il materiale ibrido si scioglie quando riscaldato, e dopo essere stato esposto alla luce ultravioletta, rimane fuso anche quando raffreddato. Successivamente, quando attivato da un altro impulso di luce, il materiale si resolidifica e restituisce l’energia termica a cambiamento di fase.
“Integrando una molecola attivata dalla luce nell’immagine tradizionale del calore latente, aggiungiamo un nuovo tipo di manopola di controllo per proprietà come fusione, solidificazione e supercooling”, afferma Grossman, che è Morton e Claire Goulder e professore di famiglia in Sistemi ambientali e professore di scienza e ingegneria dei materiali.
Il sistema potrebbe fare uso di qualsiasi fonte di calore, non solo solare, Han dice. “La disponibilità di calore di scarto è diffusa, dai processi industriali, al calore solare, e anche il calore che esce dai veicoli, e di solito è solo sprecato.”Sfruttare alcuni di questi rifiuti potrebbe fornire un modo per riciclare quel calore per applicazioni utili.
“Quello che stiamo facendo tecnicamente”, spiega Han, “è installare una nuova barriera energetica, quindi il calore immagazzinato non può essere rilasciato immediatamente.”Nella sua forma immagazzinata chimicamente, l’energia può rimanere per lunghi periodi fino a quando il grilletto ottico non viene attivato. Nelle loro versioni iniziali di laboratorio su piccola scala, hanno mostrato che il calore immagazzinato può rimanere stabile per almeno 10 ore, mentre un dispositivo di dimensioni simili che immagazzina direttamente il calore lo dissiperebbe in pochi minuti. E” non c’è alcun motivo fondamentale per cui non possa essere sintonizzato per andare più in alto”, dice Han.
Nel sistema proof-of-concept iniziale “il cambiamento di temperatura o il sovraraffreddamento che otteniamo per questo materiale di stoccaggio termico può arrivare fino a 10 gradi C (18 F), e speriamo di poter andare più in alto”, afferma Grossman.
Già, in questa versione, “la densità di energia è abbastanza significativa, anche se stiamo usando un materiale convenzionale a cambiamento di fase”, dice Han. Il materiale può immagazzinare circa 200 joule per grammo, che lei dice è ” molto buono per qualsiasi materiale organico a cambiamento di fase.”E già,” le persone hanno mostrato interesse nell’usare questo per cucinare nell’India rurale”, dice. Tali sistemi potrebbero anche essere utilizzati per l’essiccazione di colture agricole o per il riscaldamento degli ambienti.
“Il nostro interesse per questo lavoro è stato quello di mostrare una prova di concetto”, dice Grossman, “ma crediamo che ci sia un sacco di potenziale per l’utilizzo di materiali attivati dalla luce per dirottare le proprietà di stoccaggio termico dei materiali a cambiamento di fase.”
